Spring Bean

Spring Bean이란?

Spring IoC 컨테이너가 관리하는 자바 객체를 빈이라고 부른다.

자바 프로그래밍에서 Class를 생성하고 new 키워드를 사용해 객체를 생성하는게 아니라, ApplicationContect.getBean()으로 얻어질 수 있는 객체이다. 즉, Spring 컨테이너에서 관리하는 객체는 ApplicationContext가 생성한 객체이다.

Spring은 컨테이너에 스프링 빈을 등록할 때 싱글톤으로 등록한다.

스프링 빈을 등록하는 두 가지 방법

컴포넌트 스캔과 자동 의존관계 설정

이 방법은 @ComponentScan 어노테이션을 이용해 스프링 컨테이너에 의해 @Component 및 @Service, @Repository, @Controller 등 부여된 Class 들을 스캔해서 자동으로 생성되어 스프링 빈으로 등록한다.

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위 그림과 같이 @Service도 내부적으로는 @Component 어노테이션을 사용한다. 그래서 빈으로 등록이 되는 것이다.

빈 설정 파일에 직접 빈 등록

빈 설정 파일은 XML과 자바 설정파일로 작성할 수 있는데, XML 방식은 최근에는 잘 사용하지 않는다.

자바 설정파일은 자바 클래스를 생성해 작성할 수 있으며, 일반적으로 [이름]Configuration와 같이 명명한다.

클래스에는 @Configuration을 붙이고, 그 안에 @Bean을 사용해 직접 빈을 정의한다.

@Configuration
public class SampleConfiguration {
    @Bean
    public SampleController sampleController() {
        return new SampleController;
    }
}

스프링은 @Configuration 어노테이션이 명시된 클래스를 우선으로 읽는다.

@Configuration은 Bean으로 등록하는 설정파일임을 알려주는 어노테이션이다. 이 어노테이션이 붙은 클래스내에서 생성된 빈 객체는 싱글톤을 보장 해준다. 그냥 @Bean 어노테이션만 쓰면 빈을 등록할 수 있지만, @Configuration을 같이 사용해야 싱글톤을 보장 해준다.

그 이유는 @Bean 어노테이션에 있는데, 특징을 설명하자면,

  • 메소드의 리턴 객체가 스프링 빈 객체임을 선언한다.

  • 빈의 이름은 메소드 이름, @Bean(name = “heo”)으로 이름을 변경할 수 있다.

  • @Scope를 통해 객체 생성을 조정할 수 있다.

  • 빈 이름은 항상 다른 이름을 부여해야 한다. 같은 이름이면 무시 되거나 덮어버리거나 설정에 따라 오류가 발생한다.

@Configuration은 어떻게 빈을 등록하고 싱글톤으로 관리할까?

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@Configuration에 보면 @Component를 사용하기 때문에 @ComponentScan의 스캔 대상이 되고, 빈 설정파일이 읽힐 때 그 안에 정의한 빈들이 IoC 컨테이너에 등록되는 것이다.

두 개의 속성이 존재하는데, 속성 value()는 @Configuration이 붙은 클래스가 빈으로 등록될 때의 이름을 설정할 수 있게 해준다. proxyBeanMethods()는 @Configuration이 빈을 싱글톤으로 관리하는 것과 연관이 있는 속성이다.

proxyBeanMethods 에 대해서 조금 더 살펴보자.

빈에 대한 프록시 객체를 생성할 지 여부를 결정한다.

디폴트 값은 true, : 빈에 대한 프록시 객체가 생성된다.

  • porxyBeanMethods = true일 때 config 빈의 상태

tr

  • porxyBeanMethods = false일 때 config 빈의 상태

fa

프록시 객체로 생성된 빈의 클래스 이름을 보면 EnhancerBySpringCGLIB 라는게 추가된걸 볼 수 있다.

참고로 CGLIB는 바이트 코드를 가지고 프록시 객체를 만들어주는 라이브러리다. 런타임 시에 자바 클래스를 상속하고, 인터페이스를 구현해 동적 프록시 객체를 만든다. 즉, 디폴트 상태의 config bean은 우리가 직접 생성한 객체가 아니라 CGLIB 라이브러리에서 생성해준 프록시 객체인 것이다.

그러면 프록시 객체를 생성하는 이유는 뭘까?

public class Resource{

}

위의 클래스를 스프링 빈으로 등록하고자 할 때 @Component를 이용해 자동으로 빈 등록 하면, 스프링이 알아서 객체를 제어한다.

반면에 @Bean을 이용해 직접 빈으로 등록한다면,

public class Resource{
    @Bean 
    public Resource Resource() {
        return new Resource(); 
    } 
    
    @Bean 
    public MyFirstBean myFirstBean() { 
        return new MyFirstBean(mangKyuResource()); 
    } 
    
    @Bean 
    public MySecondBean mySecondBean() { 
        return new MySecondBean(mangKyuResource()); 
    }
}

실수로 빈을 생성하는 메소드를 여러 번 호출 했을 때, 여러개의 빈 생성이 된다. 그래서 스프링은 이런 문제를 방지하고자 @Configuration이 있는 클래스를 객체로 생성할 때 CGLIB 라이브러리를 사용해 프록시 패턴을 적용해 싱글톤을 보장하는 것이다.

BeanLiteMode

BeanLiteMode는 CGLIB를 이용해 바이트 코드 조작을 하지 않는 방식을 의미한다. 즉, 스프링의 싱글톤을 보장하지 않는 것이다.

@Component //@Comfiguration
public class AppConfig {

    @Bean
    public MemberService memberService() {
        return new MemberServiceImpl(memberRepository());
    }

    @Bean
    public OrderService orderService() {
        return new OrderServiceImpl(memberRepository(), discountPolicy());
    }

    @Bean
    public MemberRepository memberRepository() {
        return new MemoryMemberRepository();
    }
}

설정하는 방법은 @Configuration이 아닌 @Conponent로 변경하면 된다. 이렇게 LiteMode로 스프링 빈을 생성한다. 정확하게 표현하면 objectMapperLiteBean 메서드가 LiteMode로 작동한다.

추가적으로, ApplicationContext를 사용해서 설정파일을 가지고 빈을 수동 등록한다면, @Componet가 없어도 BeanLiteMode가 동작한다.

LiteMode는 왜 필요할까?

  • @Configuration 을 사용한 코드

@Configuration
public class BeanConfig1 {
    @Bean
    public ObjectMapper objectMapperBean() {
        return new ObjectMapper();
    }

    @Bean
    public ObjectMapper anyObjectMapperBean() {
        return objectMapperBean();
    }
}

밑에 anyObjectMapperBean() 메서드를 작동하면, 내부에 만들어 놓은 스프링 빈을 리턴하기에 ObjectMapper 객체를 생성하는 objectMapperBean() 메서드는 1번만 실행한다.

  • LiteMode 적용

@Component
public class BeanConfig1 {
    @Bean
    public ObjectMapper objectMapperBean() {
        return new ObjectMapper();
    }

    @Bean
    public ObjectMapper anyObjectMapperBean() {
        return objectMapperBean();
    }
}

이렇게 되면 anyObjectMapperBean()를 호출해서 objectMapperLiteBean()을 호출하면 진짜 메서드를 호출하여 ObjectMapper 객체를 하나 더 만들게 된다. 즉, ObjectMapper 객체가 2개가 된다.

LiteMode를 쓰는 이유는 프록시 객체를 동적으로 생성하게 되고, 이 객체는 메서드에 대한 요청을 가로채게 된다. 그래서 @Component로 설정 클래스를 만들면 이 클래스는 순수 객체로 만들어져서 메서드를 호출하게 됐을 때 가로채지 않고 메서드가 처리되는 것이다.

추가로 설명하자면,

  • 컴포넌트 스캔 방법이 더 편리하지만, 직접 스프링 빈을 등록해서 관리하는 장점이 있다.

    • 외부 라이브러리 사용 시 @Bean으로 클래스를 등록해줘야 하는 경우 사용되기도 한다.

    • SpringConfig 파일에서 한 눈에 스프링 빈 객체가 어떤 게 등록 되어 있는지 파악하기 쉽다는 장점이 있다.

    • 해당 방법을 사용함으로 OCP 원칙을 지킬 수 있다.

  • 실무에서는 주로 정형화된 컨트롤러, 서비스, 레파지토리 같은 코드는 컴포넌트 스캔을 사용한다. 그리고 정형화 되지 않거나, 상황에 따라 구현 클래스를 변경해야 하면 설정을 통해 스프링 빈으로 등록한다.

빈 생명주기 콜백(BeanLifeCycle)

먼저 콜백이란 주로 콜백 함수를 부를 때 사용되는 용어이며, 콜백 함수를 등록하면 특정 이벤트가 발생했을 때 해당 메서드가 호출되는 것이다. 즉, 조건에 따라 실행 유무 개념이라고 보면 된다.

데이터베이스 커넥션 풀(DB 연결)이나, 네트워크 소캣 연결처럼 애플리케이션 시작 시점에 필요한 연결을 미리 한 뒤, 애플리케이션 종료 시점에 연결을 모두 종료하는 작업을 진행하려면, 객체의 초기화 및 종료 작업이 필요하다.

  • 커넥션 풀의 connect, disconnect

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데이터베이스 커넥션 풀이란 데이터베이스와 연결된 커넥션을 미리 만들어 놓고, 이를 pool로 관리하는 것이다. 장점으로는 Connection에 필요한 비용을 줄여 DB에 빠르게 접속할 수 있다. 또한 커넥션 수를 제한할 수 있어서 과도한 접속으로 인한 서버 자원 고갈을 방지할 수 있으며, DB 접속 모듈을 공통화 해 DB스프링 빈도 위와 같은 원리로 초기화 작업과 종료 작업을 나눠서 진행한다.

간단하게 객체 생성 → 의존관계 주입이라는 라이프 사이클을 가진다. 즉, 스프링 빈은 의존관계 주입이 다 끝난 다음에야 필요한 데이터를 사용할 준비가 된다.

의존성 주입 과정

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가장 먼저 Spring IoC 컨테이너가 만들어지고, 빈들이 등록되는 과정이다.

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@Configuration 방법으로 빈으로 등록할 수 있는 어노테이션들과 설정파일들을 읽어 IoC컨테이너에 빈들을 등록시킨다.

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의존관계 주입을 하기 전에 준비 단계가 있는데, 이 단계에서 객체 생성이 일어난다. 주입 종류에 따라 다른 부분이 있다. 생성자 주입은 객체 생성과 의존관계 주입이 동시에 일어나고, Setter 주입, 필드 주입은 객체가 생성되고 그 다음 의존관계 주입으로 라이프 사이클이 나뉜다.

왜 생성자 주입은 동시에 일어날까?

예를 들어 MemberController가 있으면,

@Controller
public class MemberController {
    private final CocoService cocoService;
 
    public MemberController(CocoService cocoService) {
        this.cocoService = cocoService;
    }
}
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
 
        // MemberControllercontroller = new MemberController(); // 컴파일 에러
 
        MemberController controller1 = new MemberController(new CocoService());
    }
}

자바에서는 new 연산자를 호출하면 생성자가 호출된다.

의존관계가 존재하지 않는다면, Controller 클래스는 객체 생성이 불가능 하기 때문에 생성자 주입에서는 객체 생성, 의존관계 주입이 하나의 단계에서 일어나는 것이다.

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스프링 컨테이너는 설정 정보를 참고해 의존관계를 주입한다.

스프링 빈 이벤트 라이프사이클

먼저 스프링 빈의 라이프사이클을 보면,

스프링 IoC 컨테이너 생성 → 스프링 빈 생성 → 의존관계 주입 → 초기화 콜백 메서드 호출 → 사용 → 소멸 전 콜백 메서드 호출 → 스프링 종료 이렇게 스프링은 의존관계 주입이 완료되면 스프링 빈에게 콜백 메서드를 통해 초기화 시점을 알려주며, 스프링 컨테이너가 종료되기 직전에도 소멸 콜백 메서드를 통해 소멸 시점을 알려준다.

여기서 객체 생성과 초기화를 분리하는 이유는 생성자는 파라미터를 받고, 메모리를 할당 해서 객체를 생성하는 역할이고, 초기화는 이렇게 생성된 값들을 활용해 외부 커넥션을 연결하는 등 무거운 동작을 수행한다. 그렇기 때문에 생성자 안에서 동작들을 같이 하는 것 보다 명확하게 나누는 것이 유지보수 측면에서 좋다. 물론 단순한 초기화 작업(내부 값들을 살짝 변경하는 작업)은 한번에 처리하는 게 더 낫다.

콜백 방법 3가지

  • 인터페이스(InitializingBean, DisposableBean)

  • 설정 정보에 초기화 메서드, 종료 메서드 지정

  • @PostConstruct, @PreDestroy 어노테이션 지원

인터페이스(InitializingBean, DisposableBean)

public class ExampleBean implements InitializingBean, DisposableBean {
 
    @Override
    public void afterPropertiesSet() throws Exception {
        // 초기화 콜백 (의존관계 주입이 끝나면 호출)
	System.out.println("시작한다~");
    }
 
    @Override
    public void destroy() throws Exception {
        // 소멸 전 콜백 (메모리 반납, 연결 종료와 같은 과정)
	System.out.println("끝났다!~");
    }
}

InitializingBean은 afterPropertiesSet() 메서드로 초기화를 지원한다.(의존관계 주입이 끝난 후에 초기화 진행)

DisposableBean은 destroy() 메서드로 소멸을 지원한다.(빈 종료 전에 마무리 작업)

  • 단점

    • 이 인터페이스는 스프링 전용 인터페이스라서 해당 인터페이스에 의존한다.

    • 초기화, 소멸 메서드의 이름을 변경하지 못한다.

    • 내가 코드를 고칠 수 없는 외부 라이브러리에 적용할 수 없다.

    • 스프링 초창기에 나온 방법이라서 지금은 거의 사용하지 않는다.

빈 설정 정보에 초기화 메서드, 종료 메서드 지정

public class ExampleBean {
 
    public void initialize() throws Exception {
        // 초기화 콜백 (의존관계 주입이 끝나면 호출)
	System.out.println("시작한다~");
    }
 
    public void close() throws Exception {
        // 소멸 전 콜백 (메모리 반납, 연결 종료와 같은 과정)
	System.out.println("끝~");
    }
}
 
@Configuration
class LifeCycleConfig {
 
    @Bean(initMethod = "initialize", destroyMethod = "close")
    public ExampleBean exampleBean() {
        // ~~~~~~
    }
}

  • 해당 방식의 장단점

    • 메서드명을 자유롭게 쓸 수 있다.

    • 스프링 인터페이스(코드)에 의존하지 않는다.

    • 설정 정보를 사용하기 때문에 코드를 고칠 수 없는 외부 라이브러리에도 초기화, 종료 메서드를 적용할 수 잇다.

    • 단점으로는 Bean을 지정할 때 initMethod와 destoryMethod를 직접 지정해야 하기에 번거롭다.

  • @Bean의 destoryMehod 속성의 특징

    • 라이브러리는 대부분 close, shutdown 이라는 종료 메서드를 사용한다.

    • @Bean의 destoryMethod는 기본 값이(inferred)(추론)으로 등록되어 있다.

    • 이 추론 기능은 close, shutdown 이라는 이름의 메서드를 자동으로 호출한다.

    • 그래서 직접 스프링 빈으로 등록하면 종료 메서드는 따로 작성하지 않아도 된다.

    • 이 기능을 쓰기 싫다면 destoryMethod = “”으로 빈 공백을 지정하면 된다.

@PostConstruct, @PreDestory 어노테이션

import javax.annotation.PostConstruct;
import javax.annotation.PreDestroy;
 
public class ExampleBean {
 
    @PostConstruct
    public void initialize() throws Exception {
        // 초기화 콜백 (의존관계 주입이 끝나면 호출)
    }
 
    @PreDestroy
    public void close() throws Exception {
        // 소멸 전 콜백 (메모리 반납, 연결 종료와 같은 과정)
    }
}

위 코드처럼 어노테이션만 작성하면 초기화와 종료를 실행할 수 있다.

  • 장단점

    • 최신 스프링에서 가장 권하는 방법이다.

    • 스프링 종속적인 기술이 아니라 JSR-250이라는 자바 표준이기 때문에 스프링이 아닌 다른 컨테이너에서도 동작한다.

    • 컴포넌트 스캔과 잘 어울린다.

    • 단점은 외부 라이브러리에는 적용하지 못한다. 외부 라이브러리를 초기화, 종료 해야하면 @Bean 기능인 메서드를 지정해야 한다.

정리하자면, @PostConstruct, @PreDestroy 어노테이션을 쓰자! 외부 라이브러리를 초기화, 종료 해야하면 @Bean의 initMethod, destroyMethod를 사용하자!

빈 스코프

빈 스코프란 빈이 존재할 수 있는 범위를 뜻한다. 빈이 애플리케이션이 구동되는 동안 하나만 생성해 쓸건지, http 요청마다 생성해서 쓸 것인지 등등을 결정하는 것이다.

빈 스코프 종류

  • Singleton: 스프링 컨테이너(애플리케이션)의 시작과 끝까지 유지되는 가장 넓은 범위 스코프(스프링 기본 제공)

  • 프로토타입: 프로토타입 빈의 생성과 의존관계 주입까지만 관여하고, 더는 관리 안하는 짧은 범위의 스코프(매번 사용할 때 마다 만듬)(스프링 기본 제공)

  • 웹 관련 스코프(Spring web 모듈에서 제공하는 scope 방식)

    • request: http 요청이 들어오고 나갈 때 까지 유지되는 스코프

    • session: 웹 세션이 생성되고 종료될 때 까지 유지되는 스코프

    • application: 웹 서블릿 컨텍스트와 같은 범위로 유지되는 스코프

    • websocket: 웹 소켓 라이프사이클 동안 유지되는 스코프

스코프 지정

스코프를 지정하는 방법은 @Scope(”종류”)로 지정한다.

@Scope("prototype")
@Component
public class Bean {}//자동 등록

@Scope("prototype")
@Bean
PrototypeBean HelloBean() {//수동 등록
    return new HelloBean();
}

싱글톤 빈

  • 생성된 하나의 인스턴스는 Spring Beans Cache에 저장되고, 해당 빈에 대한 요청과 참조가 있으며 캐시된 객체를 반환한다. 하나만 생성되기 때문에 동일 참조를 보장한다.

  • 기본 스코프는 싱글톤이다.

  • 같은 요청이 와도 같은 객체 인스턴스의 스프링 빈을 반환한다.

  • 싱글톤 타입으로 적합한 객체

    • 상태가 없는 공유 객체

    • 읽기 전용 상태인 객체

    • 쓰기가 가능한 상태를 가지면서 사용 빈도가 매우 높은 객체 → 이때는 동기화 전략이 필요

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프로토타입

  • 종료 콜백 메서드가 호출되지 않는다.(@PreDestory 호출X)

  • DI가 발생할 때 마다(스프링 컨테이너에 요청할 때 마다) 새로운 객체가 생성되어 주입된다.

  • 스프링 컨테이너는 프로토타입 빈의 생성과 의존관계 주입, 초기화까지만 관여한다.

  • 해당 빈을 조회한 클라이언트가 관리해야하고, 종료 콜백 메서드로 클라이언트가 직접해야 한다.

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싱글톤과 프로토타입 빈을 같이 사용할 때 생기는 문제

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이렇게 clientBean 안에 prototypeBean을 포함하면 스프링 컨테이너 생성 시점에 함께 생성되고, DI도 발생한다.

clientBean은 의존관계 자동주입을 하면서 prototypeBean을 스프링 컨테이너에게 요청하고 생성해서 이 싱글톤 빈에게 반환한다. 이때 count 값이 0인데,

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클라이언트 A가 clientBean.logic()을 호출하면 clientBean은 prototypeBean의 addCount()를 호출해서 프로토타입 빈의 count를 증가 시킨다. count 값이 1이 된다.

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클라이언트 B도 logic()을 호출하면 프로토타입 빈이 컨테이너에 소멸되지 않고, 해당 프로토타입 인스턴스를 가지고 있게 된다. 싱글톤 빈 안에서는 다른 결과를 가져온다.

해결법

  1. provider

javax.inject.Provider이라는 JSR-330 자바 표준을 사용하는 방법.

이 방법을 사용하려면 스프링 부트 3.0 미만 ‘javax.inject:javax.inject:1’ 라이브러리를 스프링 부트 3.0 이상은 jakarta.inject-api:2.0.1를 gradle에 추가하면 된다.

dependencies {
   implementation 'javax.inject:javax.inject:1'
   ...
}
//스프링 부트 3.0 미만
public interface Provider<T> {
 T get();
}

//스프링 부트 3.0
@Autowired
private Provider<PrototypeBean> provider;
public int logic() {
    PrototypeBean prototypeBean = provider.get();
    prototypeBean.addCount();
    int count = prototypeBean.getCount();
    return count;
}

logic()메서드를 호출할 때 마다 다른 PrototypeBean 인스턴스가 호출된다.

provider는 자바 표준이라서 스프링에 독립적이라는 장점이 있다.

  1. proxy mode 사용

@Component
@Scope(value = "prototype", proxyMode = ScopedProxyMode.TARGET_CLASS)
public class ProtoType {
}

@Component
@AllArgsConstructor
public class ScopeWrapper {
    ...

    @Getter
    ProtoProxy protoProxy;
}

Prototype에 proxyMode 설정을 추가한다.

프록시 적용 대상이 클래스면 TARGET_CLASS, 인터페이스면 INTERFACE를 선택한다.

웹 스코프

웹 환경에서만 동작하는 스코프이며, 프로토 타입과 달리 특정 주기가 끝날 때까지 관리 해준다. 그래서 소멸 콜백 메서드가 호출된다.

종류는 4가지가 있다.

  • Request

    • HTTP 요청 하나가 들어오고 나갈 때까지 유지되는 스코프

    • 각각의 HTTP 요청마다 별도의 빈 인스턴스가 생성되고 관리된다.

  • Session

    • HTTP Session과 동일한 생명 주기를 가지는 스코프

  • Application

    • 서블릿 컨텍스트와 동일한 생명 주기를 가지는 스코프

  • WebSocket

    • 웹 소켓과 동일한 생명 주기를 가지는 스코프

Request만 살펴보자.

이 나머지도 범위만 다르지 동작 방식은 비슷하다고 한다.

  • 동작 방식

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라이브러리 추가

implementation : 'org.springframework.boot:spring-boot-starter-web'

예를 들어 우리가 MyLogger 라는 로그를 찍는 클래스를 Request Scope로 등록했고, A가 요청을 보냈다고 가정하고, 컨테이너에서 myLogger 객체를 요청 받았다면, 스프링 컨테이너는 A 전용으로 사용할 수 있는 빈을 생성하여 컨트롤러에 주입 해준다.

로직이 진행되면서 서비스에서 다시 myLogger 객체가 필요해서 요청을 하게 되면 방금 A 전용으로 생성했던 빈을 그대로 활용해서 주입 받을 수 있다. 이후 요청이 끝나면 Request 빈은 소멸된다.

만약 다른 클라이언트 B가 A와 동시에 요청을 보낸다면, 클라이언트 B도 역시 컨트롤러와 서비스에서 각각 myLogger 객체가 필요한데, 이 때는 클라이언트 A에게 주입해 주었던 빈이 아닌 새로 생성해서 주게 된다. 따라서 Request Scope를 활용하면 디버깅하기 쉬운 로그 환경을 만들 수 있다.

스프링 빈은 Thread-Safe 한가?

Thread-safe란?

싱글 쓰레드에서 한 개의 쓰레드가 객체를 쓰지만 멀티 쓰레드 환경에서는 쓰레드들이 객체를 공유해서 작업해야 하는 경우가 있다. 이렇게 공유 자원으로 쓰이는 영역을 쓰레드가 동시에 접근하면 안되는 영역을 임계 영역이라고 한다.

이 문제를 해결하기 위해 나온 개념이 세마포어(Semaphore), 상호 배제(Mutex) 등이 있다.

  • 세마포어(Semaphore): 공유된 자원의 데이터를 여러 프로세스가 접근하는 것을 막는 것

  • 뮤텍스(Mutex): 공유된 자원의 데이터를 여러 쓰레드가 접근하는 것을 막는것

public class Singleton {

    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

싱글톤 패턴은 인스턴스가 한번 초기화 하면 애플리케이션이 종료될 때 까지 메모리에 있다. 만약 싱글톤이 상태를 갖게 되면 멀티 쓰레드 환경에서 동기화 문제가 발생한다.

그런데 우리가 쓰는 싱글톤 빈은 사용할 때 static 변수, private 생성자, static 메서드를 정의하지 않고 싱글톤으로 쓴다.

그래서 싱글톤 빈은 상태를 가져도 Thread-safe(동기화)할 것이라고 착각을 하는 경우가 있다.

정리하자면, 스프링은 싱글톤 레지스트리(자세한건 밑에서)를 통해 private 생성자, static 변수 등의 코드 없이 비즈니스 로직에 집중하고 테스트 코드에 용이한 싱글톤 객체를 제공해 주는 것 뿐이지, 동기화 문제는 개발자가 처리해야 한다. 그래서 여러 쓰레드가 동시에 이 인스턴스를 접근할 경우(멀티 쓰레드 환경) 이슈가 발생한다.

ThreadLocal

이 객체로 멀티 쓰레드 환경 이슈를 해결할 수 있다.

  • ThreadLocal은 쓰레드만 접근할 수 있는 특벽한 저장소이다.

  • 여러 쓰레드가 접근하더라도 ThreadLocal은 쓰레드들을 식별해 각각의 쓰레드 저장소를 구분한다.

    • 즉, ThreadLoacl 변수를 선언하면 멀티 쓰레드 환경에서 각 쓰레드마다 독립적인 변수를 가지고 접근할 수 있다. 따라서 같은 인스턴스의 ThreadLocal 필드에 여러 쓰레드가 접근하더라도 상관이 없다.

  • 대표적인 메서드는 get() 메서드로 조회, set() 메서드로 저장, remove() 메서드로 저장소 초기화가 있다.

ThreadLocal이 적용 되지 않고 동시성 문제가 발생하는 경우

  • ExampleService.class

@Slf4j
public class ExampleService {

    private Integer numberStorage;

    public Integer storeNumber(Integer number) {
        log.info("저장할 번호: {}, 기존에 저장된 번호: {}", number, numberStorage);
        numberStorage = number;
        sleep(1000); // 1초 대기
        log.info("저장된 번호 조회: {}", numberStorage);

        return numberStorage;
    }

    private void sleep(int millis) {
        try {
            Thread.sleep(millis);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

  • ExampleServiceTest.class

@Slf4j
public class ExampleServiceTest {

    private ExampleService exampleService = new ExampleService();

    @Test
    void field() {
        log.info("main start");

        Runnable storeOne = () -> {
            exampleService.storeNumber(1);
        };
        Runnable storeTwo = () -> {
            exampleService.storeNumber(2);
        };

        Thread threadA = new Thread(storeOne);
        threadA.setName("thread-1");
        Thread threadB = new Thread(storeTwo);
        threadB.setName("thread-2");

        threadA.start();
        sleep(100); // 동시성 문제 발생
        threadB.start();

        sleep(3000); // 메인 쓰레드 종료 대기

        log.info("main exit");
    }

    private void sleep(int millis) {
        try {
            Thread.sleep(millis);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

실행을 하면,

tr1

이처럼 동시성 문제가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

thread-1이 2초 동안 대기중에 thread-2가 numberStorage에 2를 저장하여 thread-1에서도 2가 조회되는 것을 확인할 수 있다.

ThreadLocal이 적용되어 동시성 문제가 해결되는 예제

  • ThreadLocalExampleService.class

@Slf4j
public class ThreadLocalExampleService {

    private ThreadLocal<Integer> numberStorage = new ThreadLocal<>();

    public Integer storeNumber(Integer number) {
        log.info("저장할 번호: {}, 기존에 저장된 번호: {}", number, numberStorage.get());
        numberStorage.set(number);
        sleep(1000); // 1초 대기
        log.info("저장된 번호 조회: {}", numberStorage.get());

        return numberStorage.get();
    }

    private void sleep(int millis) {
        try {
            Thread.sleep(millis);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

  • ThreadLocalExampleServiceTest.class

@Slf4j
public class ThreadLocalExampleServiceTest {

    private ThreadLocalExampleService exampleService = new ThreadLocalExampleService();

    @Test
    void field() {
        log.info("main start");

        Runnable storeOne = () -> {
            exampleService.storeNumber(1);
        };
        Runnable storeTwo = () -> {
            exampleService.storeNumber(2);
        };

        Thread threadA = new Thread(storeOne);
        threadA.setName("thread-1");
        Thread threadB = new Thread(storeTwo);
        threadB.setName("thread-2");

        threadA.start();
        sleep(100); // 동시성 문제 발생
        threadB.start();

        sleep(3000); // 메인 쓰레드 종료 대기

        log.info("main exit");
    }

    private void sleep(int millis) {
        try {
            Thread.sleep(millis);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

실행을 하면 동시성 이슈가 해결된 것을 볼 수 있다.

tr2

ThreadLocal 주의 해야할 점

  • ThreadLocal을 도입하면 동시성 이슈를 해결할 수 있지만, 메모리 누수를 일으켜 큰 장애를 야기할 수 있다.

  • 톰캣 같은 WAS의 경우 쓰레드를 새로 생성하는데 비용이 크기 때문에 자체적으로 ThreadPool을 가지고 있으면서 쓰레드를 재사용한다. → 그래서 ThreadLocal은 쓰레드가 반환될 때 remove() 메서드를 통해 반드시 초기화 해줘야 한다.

    • 구현한 로직의 마지막에 초기화를 진행하거나, WAS에 반환될 때 인터셉터 혹은 필터 단에서 초기화하는 방법으로 진행한다.

싱글톤 레지스트리

예시) @applicationContext

스프링 싱글톤 레지스트리에서 다루는 싱글톤은 일반적인 싱글톤 디자인 패턴과 다른 방법으로 구현된다. 일반 싱글톤 디자인 패턴에서의 많은 단점을 해소한 버전이다.

싱글톤 방식을 쓰는 이유

스프링 프레임워크가 동작하는 환경이 대부분 서버 환경인데, 서버는 수 많은 오브젝트를 이용해서 사용자의 요청을 처리해준다. 요청을 초당 수백번 씩 받아야하는 경우도 있고, 대규모 시스템은 더 심한 경우도 있다.

이럴 때 마다 매번 오브젝트를 새로 만들면서 사용하면 비용이 너무 많이 들기 때문에, 서블릿(서비스 오브젝트)를 사용하는데, 이게 대부분 멀티 쓰레드 환경에서 싱글톤으로 동작한다. 그래서 서버 환경에서는 싱글톤 사용이 권장된다.

싱글톤 패턴의 단점

싱글톤 패턴을 구현하는 방법

public class UserSingleton {
    private static UserSingleton INSTANCE;
    
    private UserSingleton () {
    }
    
    public static synchronized UserSingleton getInstance() {
        if(INSTANCE == null) INSTANCE = new UserSingleton ();
        return INSTANCE;
    }
}

위 코드는 싱글톤 구현의 예시이다.

  • 싱글톤의 단점

    • private 생성자로 인해 상속이 불가능하다.

      • 상속이 불가능하여 객체지향의 특징을 활용할 수 없다.

    • 싱글톤 패턴은 테스트하기가 힘들다.

      • 만들어지는 방식이 제한적이어서 mock 오브젝트 등으로 대체하기 힘들다. 필요한 오브젝트는 직접 오브텍트를 만들어 사용할 수 밖에 없다.

      • 이런 경우 테스트용 오브젝트로 대체하기가 힘들다.

    • 서버 환경에서는 싱글톤이 하나만 만들어지는 것을 보장하지 못한다.

      • 여러 개의 JVM에 분산되어 설치가 되는 경우에도 각각 독립적으로 오브젝트가 생기기 때문에 싱글톤으로서의 가치를 보장하지 못한다.

    • 싱글톤의 사용은 전역 상태를 만들 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.

      • static 필드와 메서드를 사용하며 싱글톤을 static 메서드를 통해 어느 곳에서든 접근할 수 있다. → 객체지향 프로그래밍에서는 권장되지 않는 프로그래밍 모델이다.

이러한 문제점 때문에 스프링은 싱글톤 레지스트리를 제공해서 직접 싱글톤 형태의 오브젝트를 만들고 관리할 수 있게 되었다.

싱글톤 레지스트리를 정리하자면,

private 생성자를 사용해야 하는 방법이 아닌 평범한 자바 클래스를 싱글톤으로 활용할 수 있게 해준다.

스프링이 지지하는 객체지향적인 설계 방식의 원칙, 디자인 패턴 등을 적용하는데 아무런 제약이 없게 만들어준다.

  • 주의 할점

    • 멀티 쓰레드 환경에서 여러 쓰레드가 싱글톤에 동시 접근 할 수 있기 때문에 상태관리를 해야한다.

      • 대부분 stateless(무상태)하게 만들어져야 한다.

      • 내부 상태 값이 동시수정이 이루어지는 경우 매우 위험하기 때문이다.(읽기 전용은 제외)

    • 관리 방법

      • 요청 정보, DB 서버 리소스로부터 얻은 정보 등은 파라미터, 로컬 변수, 리턴 값 등을 이용한다. → 스택 영역에 독립적으로 저장이 되기 때문에 쓰레드마다 분리되어 있다.

      • 자신이 사용하는 다른 싱글톤 빈을 저장하려는 용도라면 인스턴스 변수를 사용해도 무관하다.

참고 자료

PreviousSpring의 가치NextIoC와 DI

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